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航天用燃料电池技术的研发与创新

2020-03-02 588 上传者：管理员

摘要：在燃料电池的重点研究领域已逐渐发生迁移的年代，针对航天用燃料电池技术的研究及应用是很有必要的，基于此，本文着重对航天领域燃料电池的相关技术及其发展进行了研究和分析，提出并解决了当前所面临的技术问题，对前景进行了展望，以期相关研究可以为科学研究及工程应用提供理论依据。

关键词：
再生式燃料电池
氢氧燃料电池
燃料电池
碱性燃料电池
航天
质子交换膜燃料电池
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当前日益严苛的环境问题对动力装置的技术要求日益提升，从节能减排的角度，燃料电池作为一类清洁的电化学发电装置受到了广泛关注。

近年来，国内外针对燃料电池的技术应用研究主要集中于汽车动力装置领域，与此同时，其在船舶、机车、航空推进等领域的相关研究也在亦步亦趋地开展^[1-7]。

近年来，燃料电池发电装置虽有赶超并取代传统热力发动机的势头，但事实上，燃料电池的技术发展由来已久，其于十九世纪上半叶便登上历史舞台，并于早期已在航天领域得到应用。

1、燃料电池在航天领域的应用

自1957年第一颗人造地球卫星上天以来，全世界已经发射了包括卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等几千颗各类航天器。电源系统是航天器保障系统中的一个重要组成部分，它为航天器中的其他系统提供可靠的电能。近年来，随着航天器的有效载荷日益增加，工作寿命不断延长，对电源系统的功率、寿命、可靠度和性价比等指标的要求也日益提高，航天用燃料电池通常是碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池两种类型，燃料通常为氢，氧化剂通常为氧。目前有部分观点认为，寿命一个月左右的航天器主电源，氢氧燃料电池具有锌银电池组以及硅、砷化镓太阳能电池阵与镉镍、氢镍蓄电池组联合供电系统所无法比拟的优点，是我国今后发展载人空间站补给货运飞船的首选电源^[8-10]。

2、航天用燃料电池技术应用及发展

2.1 概述

早期的质子交换膜燃料电池的商业应用之一是在20世纪60年代初由美国通用电气公司为双子星座宇航飞行器开发的1kW质子交换膜燃料电池电源。在为该宇航飞行器提供电源的同时，电池的反应产物—纯水还可供宇航员饮用。但该类电池当时采用的是聚乙酸酯磺酸膜作为质子交换膜，电池的可靠性不理想，电池在工作过程中膜曾发生降解^[11-12]。这也是该类燃料电池在以后未能在阿波罗飞船中得到应用的原因之一。但其被普遍认为是第一代航天用氢氧燃料电池。

第二代航天用燃料电池为普拉特-惠特尼公司在20世纪60年代后开发的作为阿波罗宇宙飞船主电源的培根型中温(200℃~250℃)碱性燃料电池系统，共为阿波罗18次飞行提供了飞船上的电力，使燃料电池技术为人类登月做出了贡献。

第三代航天用燃料电池—石棉膜型碱性燃料电池，最著名的应用是作为主电源被用于航天飞机上。美国航天飞机用碱性石棉膜氢氧燃料电池已飞行近百次，工作时间已大于7000h。美国国际燃料电池公司生产的第三代航天飞机用碱性石棉膜型氢氧燃料电池单组电池系统的输出功率已达12kW，峰值功率可达16kW^[13-14]，电池输出电压为28V，效率70%，单组系统质量为117kg。

2.2 碱性燃料电池与质子交换膜燃料电池

自燃料电池应用于航天领域起，碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池两者之间的比较始终在进行。由于碱性燃料电池在可靠性、性价比等方面的优势，在航天应用领域与质子交换膜燃料电池的竞争中一度占据优势。然而，经过多年的商业和军事开发，质子交换膜燃料电池系统在性能、寿命、安全性、可靠性和成本上都赶上甚至超过了碱性燃料电池系统，由于质子交换膜两侧所允许的压力不同^[15]，以致质子交换膜燃料电池几乎不需要有像碱性燃料电池系统中精密的压力控制装置。

质子交换膜燃料电池电源系统几乎不需要运动部件，例如，可以不用氢气泵、分离器和冷凝器。在碱性燃料电池中，由于反应产生的水中含有少量KOH，因此在载人航天飞行中，必须有一个去除KOH的净化水的装置，使水可以饮用；由于KOH电解质具有腐蚀性，因此对碱性燃料电池还须有特殊的防护措施以确保其安全性。由于碱性燃料电池含碳产物和碱性电解质的腐蚀，缩短了其使用寿命。

随着反应气的流动、液体电解质的流失、石棉基质的干燥以及随之产生的反应气通过基质的渗透和窜气都会导致碱性燃料电池寿命降低。航天飞机规范要求的碱性燃料电池寿命为2400h；然而在实际中仅约1200h后，碱性燃料电池系统就需要一次大的维修。由于多年大规模的地面商业开发应用，质子交换膜燃料电池寿命不断增加，目前，质子交换膜燃料电池组寿命约为10000h。据预测，未来碱性燃料电池组寿命将超过10000h，而质子交换膜燃料电池系统的寿命可超过20000h。因此，在未来的航天用燃料电池中，氢氧质子交换膜燃料电池将在与碱性燃料电池的竞争中逐渐占据优势。

在太空近地轨道中，太阳电池阵在阴影期内无法进行发电。在深空飞行中，太阳光线太高或者太低均不适合太阳电池产生能量。而在重返月球或探索火星等太空探索中，飞行时间相当长，目前在航天器上广泛使用的化学蓄电池并不能完全满足要求。虽然小型核能电源也可为航天器提供长期能源，但是为生命支持系统供能的千瓦级大型核电源由于安全性等多种原因，目前还不能满足未来载人航天飞行的需要。再生式燃料电池系统（regenerative fuel cell system）的出现为航天电源提供了一种新的解决方案。

2.3 再生式燃料电池

再生式燃料电池系统通常与太阳能发电系统配合使用。它一般由质子交换膜燃料电池发电系统和电解水系统以及高压氢气和氧气储存罐、髙纯度水储存器等组成。在日照期，光伏电池利用太阳能为航天器提供电能，并把多余的电能提供给电解系统；电解系统利用电能把水分解为氢和氧，并储藏在高压容器中。当在轨道阴影期或其他太阳电池阵不能供电情况下，质子交换膜燃料电池利用储存的氢气和氧气为航天器供电，并把生成的水储存起来，以供再次分解或饮用。

由此可见，再生式燃料电池系统不但是发电装置，还可以看作是能量的储存系统。在电解水和燃料电池发电过程中产生的热还可用来为航天器内供暖。再生式燃料电池系统的发电部分和能量储存部分是相对独立的。这意味着如果要增加再生式燃料电池系统的发电能力，仅需增加更多的储存罐即可，而不必增加电池和电解装置的大小。而其他化学电池只能通过增加更多的电池来增加发电能力。

3、航天用燃料电池面临的相关技术问题

航天用燃料电池历经40年的发展，已受到越来越多的关注。尽管如此，用于航天器的燃料电池技术仍有不少尚未得到很好解决的问题，这些问题也制约着燃料电池技术在航天领域的进一步应用。

非再生式燃料电池受氢、氧体积限制，航天器的飞行时间一般不超过半年。再生式燃料电池系统由于电池和电解装置的间断性工作性能，其寿命可能受到影响。航天用燃料电池电源系统较复杂，除电池组外，还有液氢、液氧超临界储罐，气路系统，水系统，热控系统等。

如何有效地简化系统、如何降低系统复杂性对系统可靠性的负面影响，是今后需要解决的问题。除此之外，地面用燃料电池与航天用燃料电池的主要区别有两个，一是重力场的影响不同，二是环境温度的变化不同。由这两个因素引起的一系列问题都需要从热物理角度着手加以研究解决。

燃料电池中的流体流动与传热传质是影响燃料电池性能的重要因素。氢氧质子交换膜燃料电池在电池的阴极产生水，适量的水能使质子交换膜保持湿润，使膜的质子导电性保持在较高水平。但是，过多的水将淹没阴极多孔介质扩散电极，严重情况下凝结水还将使用于向阴极供应氧气的微细通道的流通面积下降，阻碍氧气向阴极催化层电化学反应界面的输送，从而导致电池性能下降。

由此可见，合理的水管理对燃料电池来说非常必要。在太空微重力条件下流体的流动规律与在地面有着显著的不同，与气相/液相分离有关的过程更是如此；而在氢氧燃料电池中几乎不可避免地存在这样的过程，这就需要对微重力条件下的水管理开展深入系统的研究工作。

温度对燃料电池性能的影响非常大。一方面，为提高燃料电池催化剂的活性，需要电池具有足够高的温度；另一方面，过高的温度将导致电池部件的稳定性下降，影响电池可靠性和寿命。

燃料电池内流体流动的不均匀将导致电池温度分布的不均匀。过低的局部温度将影响燃料电池发电能力的发挥；而过高的局部温度将导致质子交换膜等部件干涸甚至受损。在太空条件下，一方面，由微重力引起的流体流动规律的变化将影响燃料电池的传热特性；另一方面因太空环境中航天器外温度变化幅度远远大于在地面时的情况，这对航天器燃料电池的热管理而言也是一个挑战。

4、结论与展望

回溯历史，燃料电池早期即已在航天领域得到应用，并据此为后续的技术提供了必要的理论及研发基础。当前，燃料电池的技术研发重心已出现了变迁，不可否认，其在航天领域的传统应用方式依然有其既定的优势。针对该领域燃料电池技术的研究虽不像车辆、船舶、航空器等领域会密切影响到居民的生活与出行，但考虑到对空间科学等相关领域的探索及拓展，依然有着广阔的前景。

参考文献：

[1]伍赛特.燃料电池应用于汽车动力装置的技术现状及前景展望[J].交通节能与环保,2019,15(03):1-4.

[2]伍赛特.燃料电池应用于船舶动力装置的可行性及展望[J].内燃机与动力装置,2018,35(04):87-90+94.

[3]伍赛特.燃料电池应用于航空推进领域的前景展望[J].能源研究与管理,2018(04):89-91+105.

[4]伍赛特.船舶电力推进系统的技术特点及发展趋势研究[J].机电信息,2019(15):159-160.

[5]伍赛特.燃料电池机车与混合动力机车的研究现状及发展前景[J].铁道机车与动车,2019(02):1-3+25+5.

[6]伍赛特.燃料电池应用于坦克动力装置的前景展望[J].装备制造技术,2018(12):91-94.

[7]伍赛特.燃料电池技术应用研究及未来前景展望[J].通信电源技术,2019,36(05):86-89.

[8]谢敏,楼鑫,罗芊.航天器故障诊断技术综述及发展趋势[J].软件,2016,37(07):70-74.

[9]杨华.空间飞行器太阳能峰值功率跟踪控制系统(MPPT)研究[D].上海交通大学,2007.

[10]郭航,赵建福,刘璿,叶芳,万士昕,马重芳.质子交换膜燃料电池短时微重力性能实验研究[J].工程热物理学报,2009,30(08):1376-1378.

[11]吴昕.基于光继电器的燃料电池单片电压巡检系统设计[D].武汉理工大学,2012.